风力发电技术的现状与发展趋势
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能源与环境问题已经成为全球可持续发展所面临的主要问题,日益引起国际社会的广泛关注并寻求积极的对策.风能是一种可再生、无污染的绿色能源,是取之不尽、用之不竭的,而且储量十分丰富.据估计,全球可利用的风能总量在53 000 TW·h/年.风能的大规模开发利用,将会有效减少石化能源的使用、减少温室气体排放、保护环境.大力发展风能已经成为各国政府的重要选择[1~6].
在风力发电中,当风力发电机与电网并联运行时,要求风电频率和电网频率保持一致,即风电频率保持恒定,因此风力发电系统分为恒速恒频发电机系统(CSCF 系统)和变速恒频发电机系统(VSCF 系统).恒速恒频发电机系统是指在风力发电过程中保持发电机的转速不变从而得到和电网频率一致的恒频电能.恒速恒频系统一般来说比较简单,所采用的发电机主要是同步发电机和鼠笼式感应发电机,前者运行于由电机极数和频率所决定的同步转速,后者则以稍高于同步转速的速度运行.变速恒频发电机系统是指在风力发电过程中发电机的转速可以随风速变化,而通过其他的控制方式来得到和电网频率一致的恒频电能.
1 恒速恒频发电系统
目前,单机容量为600~750 kW 的风电机组多采用恒速运行方式,这种机组控制简单,可靠性好,大多采用制造简单,并网容易、励磁功率可直接从电网中获得的笼型异步发电机[7~9].
恒速风电机组主要有两种类型:定桨距失速型和变桨距风力机.定桨距失速型风力机利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能,功率调节由风轮叶片来完成,对发电机的控制要求比较简单.这种风力机的叶片结构复杂,成型工艺难度较大.而变桨距风力机则是通过风轮叶片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率.由于采用的是笼型异步发电机,无论是定桨距还是变桨距风力发电机,并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定,异步发电机转子的转速变化范围很小,转差率一般为3%~5%,属于恒速恒频风力发电机.
1.1 定桨距失速控制
定桨距风力发电机组的主要特点是桨叶与轮毂固定连接,当风速变化时,桨叶的迎风角度固定不变.利用桨叶翼型本身的失速特性,在高于额定风速下,气流的功角增大到失速条件,使桨叶的表面产生紊流,效率降低,达到限制功率的目的.采用这种方式的风力发电系统控制调节简单可靠,但为了产生失速效应,导致叶片重,结构复杂,机组的整体效率较低,当风速达到一定值时必须停机.
1.2 变桨距调节方式
在目前应用较多的恒速恒频风力发电系统中,一般情况要维持风力机转速的稳定,这在风速处于正常范围之中时可以通过电气控制而保证,而在风速过大时,输出功率继续增大可能导致电气系统和机械系统不能承受,因此需要限制输出功率并保持输出功率恒定.这时就要通过调节叶片的桨距,改变气流对叶片攻角,从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩.
由于变桨距调节型风机在低风速时,可使桨叶保持良好的攻角,比失速调节型风机有更好的能量输出,因此比较适合于平均风速较低的地区安装.变桨距调节的另外一个优点是在风速超速时可以逐步调节桨距角,屏蔽部分风能,避免停机,增加风机发电量.对变桨距调节的一个要求是其对阵风的反应灵敏性.
1.3 主动失速调节
主动失速调节方式是前两种功率调节方式的组合,吸取了被动失速和变桨距调节的优点.系统中桨叶设计采用失速特性,系统调节采用变桨距调节,从而优化了机组功率的输出.系统遭受强风达到额定功率后,桨叶节距主动向失速方向调节,将功率调整在额定值以下,限制机组最大功率输出.随着风速的不断变化,桨叶仅需微调即可维持失速状态.另外调节桨叶还可实现气动刹车.这种系统的优点是既有失速特性,又可变桨距调节,提高了机组的运行效率,减弱了机械刹车对传动系统的冲击.系统控制容易,输出功率平稳,执行机构的功率相对较小[8~13].
恒速恒频风力发电机的主要缺点有以下几点:
1)风力机转速不能随风速而变,从而降低了对风能的利用率;
2)当风速突变时,巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件,在这些部件上产生很大的机械应力;
3)并网时可能产生较大的电流冲击.
目前的恒速机组,大部分使用异步发电机,在发出有功功率的同时,还需要消耗无功功率(通常安装电容器给以补偿).而现代变速风电机组却能十分精确地控制功率因数,甚至向电网输送无功,改善系统的功率因数.由于以上原因,变速风电机组越来越受到风电界的重视,特别是在进一步发展的大型机组中将更为引人注目.当然,决定变速机组设计是否成功的一个关键是变速恒频发电系统及其控制装置的设计.
